《BIOspektrum》：Metaproteogenomik zur Identifizierung unkultivierter Schlüsselorganismen
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为破解“谁真正在生态系统中干活”这一难题，研究团队将宏基因组（MG）与宏蛋白组（MP）耦合，锁定德国Wallender Born冷泉中仅0.5%丰度却贡献>10%蛋白表达的Ca. Gracilibacteria等“关键物种”，提出噬菌体“感染制衡”新模型，为预测微生物驱动元素循环提供活性标尺。
在深部生物圈、冷泉或热液口等极端环境里，绝大多数微生物仍“不可培养”，传统16S rRNA或宏基因组（MG）只能告诉研究者“谁在那里”，却无法回答“谁在干活”。更棘手的是，按DNA丰度推断“重要性”常导致误判——一些低丰度物种可能通过高表达蛋白发挥巨大生态功能，而高丰度者或许只是“休眠库存”。如何直接捕捉原位活性、识别真正的“关键物种（keystone organisms）”并解析其生活方式，成为微生物生态学亟需突破的瓶颈。
为回答上述问题，德国埃森大学One Health Ruhr环境宏基因组学研究中心T. L. V. Bornemann与A. J. Probst团队在《BIOspektrum》发表综述，系统阐述“宏蛋白基因组学（metaproteogenomics）”策略：先构建研究特异的蛋白数据库，再将宏蛋白组（MP）的肽段与宏基因组组装的基因组（MAG）比对，以蛋白表达量（NSAF）与基因丰度（覆盖度）的比值作为“活性-丰度偏离指数”，在德国Wallender Born冷泉（高CO、低有机碳）中锁定4个低丰度却高表达的“关键物种”，并首次揭示噬菌体通过“感染制衡”维持群落结构的机制。
作者采用的关键技术：①0.2 μm滤膜现场采集冷泉水样；②Illumina NovaSeq 6000深度宏基因组测序（2×150 bp，>10 Gb per sample）；③基于metaSPAdes组装、MaxBin2分箱、CheckM评估获得高质量MAG；④研究特异蛋白数据库（包含所有预测蛋白序列）替代公共库；⑤LC-MS/MS（Q Exactive HF-X）宏蛋白组检测；⑥NSAF算法标准化蛋白丰度；⑦CRISPR spacer-protospacer比对重建病毒-宿主感染史；⑧时间序列统计学检验活性-丰度偏离。
研究结果分三部分：
一、关键物种的识别
通过比较123个MAG在MG与MP中的中位丰度比值，发现2个古菌（Altiarchaeum、Bathyarchaeia）与2个Patescibacteria门候选属（Ca. Gracilibacteria、Ca. Nomurabacteria）呈显著负偏离（比值<-0.5），即蛋白贡献远高于其基因丰度预期，被定义为“关键物种”。其中Ca. Gracilibacteria基因组仅1.1 Mb，缺失氨基酸、脂质、核苷酸合成通路，却高表达ABC转运体、IV型菌毛、限制性内切酶及毒素-抗毒素系统，表明其依赖外源获取底物并与其他细胞互动。
二、噬菌体“感染制衡”模型
宏蛋白组覆盖病毒复制全部阶段（尾鞘、DNA糖蛋白、核酸酶等），结合CRISPR spacer匹配，发现低丰度Gallionella株被多种噬菌体主动感染，而占优势的Gallionella株则无对应spacer。由此提出“Infect to keep in Check”模型：噬菌体通过持续侵染潜在“竞赛型”菌株，释放生态位给未被侵染的优势株，从而维持群落组成稳定。
三、方法学优势与局限
宏蛋白组可直接检测替代遗传密码（Ca. Gracilibacteria将UGA重编码为甘氨酸）及新型翻译后修饰（PTM），避免公共数据库40–60%注释缺失导致的假阴性；但受限于样品生物量、肽段覆盖率及PTM多样性，对低生物量生态系统（如深部生物圈）仍存挑战。作者指出，全长蛋白测序（native MS、nanopore蛋白测序）将突破短肽匹配瓶颈，进一步提升注释精度。
结论与讨论：该研究首次在冷泉原位环境中用“活性-丰度偏离”策略量化微生物生态位贡献，证明低丰度Patescibacteria通过“寄生-互养”模式驱动元素循环；同时揭示噬菌体并非单纯“杀戮机器”，而是群落结构动态调控者。该框架可推广至地下水、热液口、人体微生态等多类生态系统，为预测全球变化下微生物功能响应提供活性标尺，也为“不可培养微生物”资源挖掘与新型天然产物发现提供新思路。
